Principes de base en électronique

Introduction

Sous le terme d'électronique, on trouve de multiples concepts. Cette page va traiter uniquement l'électronique relative à la manipulation de signaux et d'informations électriques. Dans le contexte de cette page, nous nous intéressons aux signaux manipulés dans des circuits électroniques i.e au travers ses composants.

Cette page fait aussi partie du module I du cours STIC:STIC IV (2021).

Electricité

Définition

Un atome - Modèle de Bohr

L'électricité est présente à l'état naturel (ex: éclairs d'un orage) ou peut être produite, notamment par d'autres énergies comme l'énergie thermique, l’énergie solaire ou encore l'énergie hydraulique, etc.

L'électricité est une forme d'énergie créee par un flux ou mouvement de charges électriques. Ces charges proviennent des atomes. Un atome possède une combinaison de trois particules distinctes :

• les neutrons ayant une charge neutre ou pas de charge,
• les protons ayant une charge positive,
• les électrons ayant une charge négative.

Chaque atome possède un noyau central où protons et neutrons sont groupés de façon dense et autour de ce noyau, gravite des électrons. Ce sont les electrons qui ont un rôle important dans l'électricité car c'est ce mouvement d'électrons tournant autour de l'atome que les électrons forment une charge électrique.

Des charges électriques à l'électricité

Les électrons forment des charges électriques mais comment concrètement se créer le flux d’électricité ?

Batterie

Comme le montre le modèle d'atome de Bohr ci-dessus, les orbites des électrons sont plus ou moins éloigné du noyau de l'atome. Les électrons sur l'orbite extérieure sont appelés électrons de valence. Avec une force extérieure suffisante, un électron de valence peut s'échapper de l'orbite de l'atome et devenir un électron libre. Or, comme mentionné précédemment les protons sont chargés positivement, les électrons sont chargés négativement et selon les règles 1) les opposés s'attirent (protons et électrons s'attirent) et 2) les contraires se repoussent (protons et protons se repoussent pour trouver leurs électrons), il y a donc toujours un proton à la recherche de son électron. Lorsque les électrons libres se déplacent d'atome en atome à la recherche de nouveaux protons, ils permettant aux charges électriques de se déplacer et ainsi de créer l'électricité.

Pour pouvoir circuler, les électrons ont besoin d'une source d'énergie dans le circuit (e.g batterie dans un circuit) qui sont donc simultanément poussés par la borne négative et attirés par la borne positive, c'est le rôle de la batterie. Le circuit est donc un chemin complet permettant aux électrons de pouvoir circuler en boucle continue sans interruption (dans le cas du courant continu VS alternatif).

Par conséquent, dans un circuit, l'interrupteur permet de fermer le circuit afin que les électrons chargés négativement de notre source d'énergie puissent se diriger vers les protons chargés positivement.

Conductivité des matériaux

Câble avec conducteur et isolant

L'électricité produite par les électrons ne circulent pas dans n'importe quel matériau.

En électronique, on appelle cela la conductivité:

• Certains matériaux sont conducteurs comme le fer, l'argent, l'or
• Certains matériaux sont isolants comme le plastique, l'air, le verre. Leur fonction est importante car cela permet d'éviter les court-circuits i.e pour éviter que deux circuits ne se touchent.

Circuits

Circuit électronique

Selon Wikipédia, “Un circuit électronique est un ensemble de composants électroniques interconnectés souvent à l'aide d'un circuit imprimé et dont le but est de remplir une fonction” (Wikipédia,récupéré le 9 Avril 2021).

Compte tenu du concept de conductivité vu précédemment, les composants électroniques doivent être constitués de matériaux conducteurs pour permettre au courant de "passer" mais aussi de matériaux isolants permettant d'éviter les courts-circuits dans un même circuit ou dans plusieurs circuits qui s'entrecroisent.

Simple circuit représentant une LED (D1) alimentée par une source d'alimentation (V1). La source d'alimentation est atténuée par la résistance (R).

Simple circuit

Schématisation

Schématiser composants et circuits

Il existe des symboles normalisés pour représenter les composants électroniques (ou dipôle). Voici les principaux symboles :

Liste de symboles

Tout comme la schématisation de composants, il existe des schémas normalisés de circuit. Ces schémas sont réalisés :

1. En utilisant les symboles normalisés
2. En suivant des règles précises:
   • Les lignes sont droites (pas de courbures). Le 1er tracé est la forme générale du circuit i.e le rectangle.
   • Les lignes reliant les différents composants sont placées au milieu de chaque coté.
   • L’ordre des symboles correspond à l’ordre de branchement dans le circuit.

Voici un exemple de schéma normalisé

Représentation normalisée d'un circuit

Logiciels et WebApp

• Circuitlab : schématisation de circuit. Il s'agit d'une WebApp très pratique et il est possible de concevoir le circuit et de faire une capture d'écran mais impossible d'enregistrer le design sans inscription (payante).
• EasyEDA (schématisation de circuit, open source, webApp),
• Circuit Diagram editeur de schémas électronique source libre
• Circuit Diagram.org - guides et exemples
• Circuit Sims (simulateur de circuits: Limité mais peut vous aider à comprendre le fonctionnement d'un circuit en ajoutant des composants)
• Fritzing (Schématisation de circuit, open source, standalone app)

Analyse d'un circuit

Concepts de base

Il y a 3 concepts de base dans un circuit

• Voltage (Volts): tension électrique,
• Courant (Ampères) : intensité auquel le flux s'écoule (long ou rapide). Le courant électrique peut traverser certains matériaux (conducteurs) mais pas d'autres (isolants).
• Résistance (Ohms - Ω) : la résistance avec laquelle le matériaux résiste au flux de courant.

Pour qu'un circuit fonctionne correctement (exemple qu'une LED ait une luminosité correcte, qu'une LED ne "claque pas" etc.), il est important de faire une analyse du circuit avec la loi d'Ohm. Le multimètre, lui sert à réaliser les mesures physiques de ces 3 dimensions (voir plus loin).

Loi d'Ohm

Loi d'Ohm

“La loi d'Ohm est une loi physique empirique qui lie l'intensité du courant électrique traversant un dipôle électrique à la tension à ses bornes. Cette loi permet de déterminer la valeur d'une résistance. La loi d'Ohm a été ainsi nommée en référence au physicien allemand Georg Simon Ohm qui la publie en 1827, dans son œuvre Die galvanische Kette: mathematisch bearbeitet.” (Wikipédia,récupéré le 1 Mars 2021).

La loi d'Ohm établit que (en convention récepteur) :

$$U=R\times I$$

Cette loi permet d'obtenir d'obtenir les différentes grandeurs selon votre besoin:

• U = R × I permet de calculer la tension lorsque sont connus R (résistance) et I (intensité),
• I = U / R de calculer l’intensité lorsque sont connus U (tension) et R (résistance),
• R = U / I permet de calculer la résistance lorsque sont connus U tension) et R (résistance).

De manière un peu humoristique, on pourrait la résumer de cette manière :

Mesure de grandeurs dans un circuit : le multimètre

Multimètre

“Un multimètre (parfois appelé contrôleur universel) est un ensemble d'appareils de mesures électriques regroupés en un seul boîtier, généralement constitué d'un voltmètre, d'un ampèremètre et d'un ohmmètre. Les fonctions voltmètre et ampèremètre sont disponibles en continu et en alternatif. ” (Wikipédia,récupéré le 9 Avril 2021).

En d'autres termes, le multimètre mesure :

• La tension (voltage, U)
• Le courant (ampères, I)
• La résistance (ohm, R)

Il est utile pour appliquer la loi d'Ohm i.e si vous connaissez par exemple la tension et le courant et que vous voulez connaître la puissance de la résistance.

Mise en route d'un multimètre

Le multimètre comporte généralement 4 entrées (COM, 10 A ou 20 A, mA, V ou Ω)

• La broche noire doit être connectée à la broche COM qui correspond au pôle négatif ou GND (Ground) sur une carte électronique ou à la masse
• La broche rouge doit être branchée aux autres entrées selon la mesure. Pour l'intensité, utiliser l'entrée 10 A ou 20 A (selon le modèle de multimètre) pour mesurer un courant élevé sinon utiliser les mA.

Utilisation d'un multimètre

• s'assurer que la base de chaque broche est connectée à la bonne entrée du multimètre (V, Amps, Ohm) et spécifier la grandeur à mesurer à l'aide du bouton sélecteur du multimètre. Exemple : placer le sélecteur sur 20V pour mesurer une tension entre 0 et 5V; placer le sélecteur sur 2V si la tension devrait se situer entre 0 et 1V. De la même manière, pour mesurer un courant de haute intensité, mesure en Ampère et en Milliampère pour un courant de faible intensité.
• s'assurer d'avoir respecter la polarité lors du branchement. Un multimètre comporte 2 broches habituellement une rouge (polarité positive) et une noire (polarité négative). Pour certaines mesures, il est préférable de respecter la polarité comme pour la mesure de la tension. Inverser la polarité n'est pas grave en soi mais vous aurez une valeur négative.

Type de circuits

Il existe deux principaux types de montage pour les circuits : le circuit monté en série et le circuit monté en parallèle.

Types de circuits	Circuit en parallèle	Circuit en série
Schéma
Caractéristiques	Les composants sont situés sur des branches indépendantes i.e le courant emprunte plusieurs chemins Cela implique que : les résistances sont soumises à une tension égale, le voltage sera le même (tension - V), le courant sera divisé (intensité - Amps)	Les composants sont connectés les uns à la suite des autres sur une même branche i.e le courant n'emprunte qu'un seul chemin. Cela implique que : les résistances vont s'additionner dans le circuit, le voltage sera divisé (tension - V), le courant sera le même (intensité - Amps)

Composants principaux d'un circuit

Plusieurs types de composants peuvent être présents dans un circuit. La liste présentée ci-dessous n'a pas vocation à être exhaustive mais à présenter les principaux composants pouvant être présents dans les circuits pour des débutant-es en électroniques.

Composants	Schématisation / Image	Utilité
Résistance		La résistance mesure l'aptitude du courant à s'opposer au passage du courant électrique. Il existe des résistances de différentes intensité et chaque bandelette à une signification (Voir Repérages et valeurs normalisées)
Diode		Une diode est un composant électronique polarisé (le courant ne peut passer que dans un sens du +ve au -ve, dont le sens du branchement est désigné et doit être respecté (pôle positif et pole négatif).
LED (Light Emitting Diode)		Diode électroluminescente - une diode qui émette de la lumière quand parcouru par un courant électrique .
Plaque de circuit (Breadboard)		Une plaque de circuit permet de tester les circuits dessinés sans les souder.
Potentiomètre		Un potentiomètre est in composant électrique a une résistance variable avec trois bornes, dont une sert à réduire le voltage (le potentiel électrique). C'est en effet un diviseur de tension. Ainsi, les potentiomètres sont souvent utilisés pour les entrées et sorties analogiques.
Interrupteur (switch)		En électrotechnique, un interrupteur (dérivé de « rupture ») est un commutateur permettant seulement d'interrompre ou d'autoriser le passage d'un flux. Il ne faut pas confondre l'interrupteur qui permet d'éteindre ou d'allumer un appareil, et le commutateur qui permet de choisir entre plusieurs états actifs d'un appareil.
Servomoteur		Permet de transformer une entrée en movements (rotations)
Connectique	matériel à disposition	Tout matériel conductible utilisé pour connecter les composants dans un circuit : Fils en cuivre, ruban cuivre ou eontex, encre conductible, tissue conductible

Exercice : dessiner et construire un circuit de base

Matériel : plaque de circuit, LED (n'importe la couleur), un bouton (switch), cables connecteurs, pinces alligator, source de courant (batterie 3.5 à 6 Volt), resistors,

Exemples de circuits intégrant ces composants :

Étapes

1. Calculer la résistance nécessaire en fonction du courant (Volts) et utiliser un Multimeter pour mesurer le courant et la résistance.
2. Dessiner le circuit avec easyEDA
3. Reproduire le circuit en physique, avec interrupteur digital et analog
4. modifier, si le temps permet.

Résultats

Batterie, Résistance, LED	Circuit avec LED et bouton poussoir

Type d'entrées/sorties et matériaux

Digital Vs Analogique

entrée valeurs d'entrée définies selon le capteur, c.à.d. le type de données d'entrée : luminosité, décibels, pression, etc.
digitale données binaires, états 0/I, existe or pas, off/on, true/false, 0-1 e.g. touche ou pas, allumé/éteint	analogique valeurs sur une échelle continue, 0 à x e.g. intensité de lumière, volume, acceleration
sortie la sortie dépend de la nature des valeurs d'entrée qui peuvent être binaires ou analogiques et transformées (par le code) en valeurs binaires (true/false, 0/1) ou ordinales.

Démonstration sur swatches

CPX exemples

simulation	connecté
Simulation d'une entrée digitale - appuyé=on / pas appuyé=off Digitale : digital on/off A/B jaune/rouge Si on clique A les lumières deviennent jaune, si B, rouge	Entrée digitale en position "Off", circuit interrompu Entrée digitale en position "on" - circuit fermé Digitale matérialisé : Connecté (CPX) - Modifier et télécharger depuis Makecode: digital on/off A/B jaune/rouge Si la boule touche un panneau, le circuit est fermée = "A" est "appuyé" > "on". Capteur : tissue conductible et pendule en métal connectés par fil conductible. Ce capteur peut être reconnecté et programmé comme tiltomètre (mesurer l'inclinaison)
	Interrupteur physique on/off Digitale matérialisé  : Connecté (CPX) - Modifier et télécharger depuis Makecode: digital on/off A/B jaune/rouge Depuis Sur un 2e circuit (parallèle) Capteurs : feuilles aluminium séparées par la mousse isolante avec un trou au centre ruban et fil conductibles pour construire le circuit Interrupteur physique on/off avec Arduino Version Arduino : Arduino basics pour STIC IV - sketchs ButtonDigitalPressure
	Sensor analogique : mousse isolante Fichier:ArduinoBasicsSTIC.zipAnalogique  : Connecté (CPX) - Modifier et télécharger depuis Makecode: analog pressure, données analogiques converties en sorties de 3 niveaux (bleu, rose, blanc) : vidéo données analogiques en sortie analogique (série de lumières) : vidéo capteur : mousse conductible, alternatif : vélostat Version Arduino : Arduino basics pour STIC IV - sketchs ButtonDigitalPressure avec Calibration LED Interrupteur physique on/off avec Arduino
	Entrée analogique avec tissue conductible (eontex) Analogique (glisse) : Connecté (CPX) - Modifier et télécharger depuis Makecode: analog slide vidéo données analogiques comme entrée (voltage en fonction du positionnement du fil vert) transformées en étapes pour allumer les lumières en série à partir d'une valeur. capteur : eontex Version Arduino : Arduino basics pour STIC IV - sketchs ButtonDigitalPressure avec Calibration LED

Matériaux pour entrée/sortie digitales et analogiques

• kobakant pour pleines d'idées et le matériel à disposition
  • Entrée/sortie digitale = switch (interrupteur, bouton pression ...)
  • Entrée/sortie analogique = resistive material : pressure velostat, stretch

• Catalogue de composants Arduino

• Sketch pour la calibration de la sensibilité des capteurs

Liens

• What is electricity (s.d). Sparkfun. Consulté le 9 Avril 2021 sur https://learn.sparkfun.com/tutorials/what-is-electricity/all
• Sam Sattel (s.d). What Is Electricity? Explained So Simply, Even Your Mom Can Understand. Consulté le 9 Avril sur https://www.autodesk.com/products/eagle/blog/what-is-electricity-explained-so-simply-even-your-mom-can-understand/
• Leonics (s.d). Understand electricity. Consulté le 9 Avril sur http://www.leonics.com/support/article2_2j/articles2_2j_en.php
• FlossManuals (s.d). Les bases de l'électronique. Consulté le 9 Avril sur https://fr.flossmanuals.net/arduino/les-bases-de-lelectronique/